科學(xué)通報(bào) | 材料創(chuàng)新破瓶頸：液流電池支撐長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能新發(fā)展

液流電池以其高安全、長(zhǎng)壽命、靈活可調(diào)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能賽道展現(xiàn)出廣闊前景。在“雙碳”目標(biāo)指引下，液流電池技術(shù)正迎來(lái)關(guān)鍵突破期。本文綜述了液流電池主流技術(shù)路線，聚焦關(guān)鍵材料瓶頸與前沿突破，分析未來(lái)發(fā)展方向，為液流電池的持續(xù)進(jìn)步提供重要參考。

憑借其技術(shù)特性優(yōu)勢(shì)，液流電池正從實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段步入產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。國(guó)家層面將其明確列為新型儲(chǔ)能核心技術(shù)路線?！丁笆奈濉毙滦蛢?chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》等重磅政策為其發(fā)展提供強(qiáng)力支撐?！?024中國(guó)液流電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》預(yù)測(cè)，2030年我國(guó)液流電池儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)量將達(dá)2.6 GW/10.5 GWh，市場(chǎng)前景廣闊。

技術(shù)路線百花齊放，材料創(chuàng)新突破不斷

液流電池技術(shù)路線呈多元化發(fā)展，包括鐵鉻、全釩、全鐵、鋅基（如鋅溴、鋅鐵）和水系有機(jī)等體系。其中，全釩體系最成熟，全鐵、水系有機(jī)等新型低成本體系發(fā)展迅猛。然而，系統(tǒng)成本高仍是液流電池產(chǎn)業(yè)化的主要瓶頸，液流電池降本增效的核心在于關(guān)鍵材料的創(chuàng)新：

圖 1 液流電池儲(chǔ)能技術(shù)關(guān)鍵材料

1、 電堆（功率模塊）：

液流電池隔膜作為核心組件，需同時(shí)實(shí)現(xiàn)離子選擇性傳導(dǎo)與活性物質(zhì)阻隔功能，主要分為三類：離子交換膜依靠固定電荷基團(tuán)傳導(dǎo)離子，傳統(tǒng)全氟磺酸膜穩(wěn)定性好但離子選擇性差且價(jià)格高昂，非氟膜則顯著降低成本并已在千瓦級(jí)電堆中驗(yàn)證高效率和長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性。多孔膜依托多孔通道傳導(dǎo)與篩分，通過(guò)調(diào)控孔道提升性能，根據(jù)孔道形成方式分為固有孔隙和后形成多孔膜。規(guī)整孔道膜（如沸石、MOFs、COFs）利用均一孔徑實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效篩分，例如，二維MFI型分子篩膜可實(shí)現(xiàn)離子傳導(dǎo)性與選擇性的協(xié)同提升，進(jìn)而顯著優(yōu)化液流電池性能。

圖 2 液流電池隔膜分類

電極作為電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，主流石墨氈存在親水性和活性不足問題。研究通過(guò)表面造孔、引入活性官能團(tuán)、負(fù)載催化劑及設(shè)計(jì)梯度結(jié)構(gòu)電極等手段提升性能。輕質(zhì)化、超薄化是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

雙極板收集傳導(dǎo)電子，同時(shí)還起到支撐電極和供給電解液的作用。優(yōu)化流場(chǎng)設(shè)計(jì)（如死區(qū)補(bǔ)償流場(chǎng)、多級(jí)分配流道）能極大改善電解液分布均勻性并降低流阻，提升電堆效率和功率密度。

2、電解液（容量模塊）

電解液改性的核心目標(biāo)是開發(fā)兼具高濃度、高穩(wěn)定性和低成本的電解液體系。全溶解型體系中，全釩較為成熟但受釩資源限制，研究聚焦提升濃度和穩(wěn)定性。新型低成本無(wú)機(jī)體系如全溶型全鐵電池和硫基電池等發(fā)展迅速，展現(xiàn)應(yīng)用潛力。水系有機(jī)體系通過(guò)分子設(shè)計(jì)調(diào)控電位，提升溶解度，實(shí)現(xiàn)多電子反應(yīng)和增強(qiáng)穩(wěn)定性，體系能量密度和循環(huán)壽命不斷提升。針對(duì)鋅基、酸性全鐵等沉積-溶解型電池，還需通過(guò)電解液添加劑等策略抑制負(fù)極枝晶生長(zhǎng)，促進(jìn)金屬均勻沉積。

未來(lái)展望：

在液流電池的未來(lái)發(fā)展中，材料創(chuàng)新仍是核心驅(qū)動(dòng)力：開發(fā)兼具高選擇性、傳導(dǎo)性、穩(wěn)定性的隔膜，高活性、低電阻的電極，高導(dǎo)電、高強(qiáng)度、低成本的雙極板，并探索基于鐵/鋅/ 錳等高豐度元素或有機(jī)分子的低成本、高穩(wěn)定、高能量密度的新型電解液體系。人工智能將加速材料研發(fā)。系統(tǒng)層面，通過(guò)應(yīng)用智能控制、流體動(dòng)力學(xué)優(yōu)化和模塊化設(shè)計(jì)提升系統(tǒng)運(yùn)行效率和部署靈活性。隨著政策支持、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同與規(guī)模化生產(chǎn)推進(jìn)成本下降，液流電池將在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)及用戶側(cè)等多場(chǎng)景發(fā)揮重要作用，為構(gòu)建新型能源體系、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供關(guān)鍵的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能支撐。

文章信息

丁靜怡, 吳玉淋, 王一興, 韋杰, 侯曉璇, 黃康*, 徐至*. “雙碳”目標(biāo)下液流電池技術(shù)進(jìn)展與展望. 科學(xué)通報(bào), 2026, 71: 339–354,

doi: 10.1360/CSB-2025-0500

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